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研究背景与目的:
半侧颜面短小畸形(Hemifacial microsomia，HFM)是一种常见的以下颌骨发育不足为主要表现的颅面部畸形，因患侧下颌骨生长受损，下颌骨变短、后缩和变窄，固有口腔容积减小，患侧软组织受到挤压移位，可导致上呼吸道狭窄，引发睡眠相关疾病，如阻塞性睡眠呼吸暂停(Obstructive sleep apnea，OSA)。而呼吸模式的改变也会影响颌面部的生长发育，诱发或加重错(牙合)畸形，形成恶性循环。下颌骨牵引成骨术(Mandibular distraction osteogenesis，MDO)是目前儿童HFM患者的主要治疗手段，然而，在术后疗效评价方面欠缺其对上呼吸道影响的考虑。上呼吸道容积、横截面积以及形状等的变化均有可能改变上呼吸道内的压力分布、气流流速等流场特征，从而进一步影响上呼吸道的通气功能。对上呼吸道进行形态及气流动力学特性的研究，有助于理解上呼吸道结构和功能之间的关系，而目前很少有针对HFM患者行MDO后上呼吸道形态改变进行的相关评价，更加缺乏数值模拟研究。由于上呼吸道几何结构复杂而且难以在内部进行检查，对其三维(Three dimensional，3D)结构和内部流场进行详细的定量分析研究很困难。随着科技的进步，尤其是影像技术及高性能计算机的广泛应用，使得构建人体上呼吸道的实体模型和数字模型能够得以实现，并且在利用生物力学方法对上呼吸道内部流场的研究方面取得了很大进展。通过计算机流体力学(Computational fluid dynamics，CFD)，可对上呼吸道复杂几何结构内的流体运动进行精细的预测，能得到临床手段无法测量出的流速、压强等信息。通过对上呼吸道术前、术后形态及气流动力学特性的对比研究，能够无创、定量地分析由于手术治疗引起的结构变化对上呼吸道内部流场的影响，从而为术后疗效的评估提供量化且准确的参考依据。
本研究基于儿童HFM患者的计算机断层扫描(Computed tomography，CT)数据建立上呼吸道3D模型，应用3D测量评价单侧MDO术后上呼吸道形态学的改变，以及利用CFD技术模拟上呼吸道内的气体流动情况，进行计算并分析术前术后上呼吸道内部流场的变化，从而研究单侧MDO对上呼吸道内部流场的影响，并从生物力学的角度探讨上呼吸道形态变化改变其内部气流流场的力学机制。
材料与方法:
1.儿童半侧颜面短小畸形患者上呼吸道三维重建
选取20例HFM患者(年龄9.52±2.47y;11男性，9女性)行单侧MDO治疗前的CT数据，导入MIMICS软件，进行头位校准后对上呼吸道进行3D重建，分别测量鼻咽前界、鼻咽下界、口咽下界和喉咽下界的面积，以及鼻腔、鼻咽、口咽和喉咽的容积。由同一位和另一位实验者两周后对所有的步骤，包括标志点的识别和项目的测量重复进行。采用组内相关系数(Intraclass correlation coefficient，ICC)评估本研究上呼吸道3D重建方法的可靠性，ICC值＞0.75表示信度良好。通过配对t检验检测同一实验者第一、二次测量数据之间的差异，评估系统误差，定义p＜0.05有统计学差异。利用3D打印技术打印患者的上呼吸道模型，用相同设备、相同参数对3D打印模型进行CT扫描后导入MIMICS软件并用相同方法对上呼吸道进行3D重建，评估上呼吸道3D重建方法的准确性。
2.儿童半侧颜面短小畸形牵引成骨后上呼吸道形态学改变
选取上述20例行单侧MDO治疗的HFM患者术前及术后半年以内的CT数据。将所有患者术前、术后的CT数据导入MIMICS软件，进行头位校准后重建上呼吸道3D模型，分别测量鼻咽前界(A)、鼻咽下界(B)、最小横截面(C)、口咽下界(D)和喉咽下界(E)的面积，鼻咽、口咽和喉咽的长度，以及鼻腔、鼻咽、口咽和喉咽的容积。由同一测量者重复进行所有步骤，包括标志点的识别和项目的测量，采用ICC进行可靠性检验，ICC值＞0.75表示信度良好。利用配对t检验比较MDO治疗前后测量数据之间的差异性，定义p＜0.05为有统计学差异。
3.儿童半侧颜面短小畸形牵引成骨后上呼吸道流体力学改变
对上述所选取的20例HFM患者治疗前后的CT数据进行上呼吸道3D重建后，对上呼吸3D道模型进行修整及网格划分，然后采用标准κ-ω湍流模型模拟一个完整呼吸周期上呼吸道内的气体流动，并利用体外实验系统验证CFD气流模拟的真实性。在CFD后处理软件CFD-POST分别测量吸气峰值时刻鼻咽前界(A)、鼻咽下界(B)、最小横截面(C)、口咽下界(D)和喉咽下界(E)的平均压强、平均流速和压降(ΔP)，以及鼻腔、鼻咽、口咽、喉咽的最大流速，并计算出各部分的有效气道阻力。利用配对t检验比较MDO治疗前后数据之间的差异性，定义p＜0.05为有统计学差异。
结果:
1.儿童半侧颜面短小畸形患者上呼吸道三维重建
配对t检验结果显示同一实验者第一次和第二次测量结果无统计学差异(p＞0.05)，可忽略系统误差。同一实验者及两实验者之间重复测量的信度系数较高(ICC0.976～0.995)。准确性评价结果显示上呼吸道内部容积在3D重建后有少量放大(102.4％～107.4％)。
2.儿童半侧颜面短小畸形牵引成骨后上呼吸道形态学改变
牵引成骨治疗前，HFM患者的患侧上呼吸道受挤压，狭窄部位主要位于口咽部，3D重建后的上呼吸道外观患侧存在冠状向的缩窄。牵引成骨术后，监测截面B和截面C的面积增加(分别为+147.75％、+52.71％)、口咽部的长度增加(+23.86％)有统计学差异(p＜0.05)。口咽部和鼻咽部的容积增加(分别为+53.74％、+42.89％)也有统计学差异(p＜0.05)。治疗后上呼吸道矢状向口径增大，治疗前患侧冠状向的缩窄区在治疗后得到扩张，治疗后的上呼吸道外观趋向于对称。
3.儿童半侧颜面短小畸形牵引成骨后上呼吸道流体力学改变
利用标准k-ω湍流模型进行的CFD模拟结果与实测数据比较吻合，差异率介于5.21％～14.75％。牵引成骨治疗后，监测截面A、B、C、E平均流速的下降(分别为-25.76％、-53.45％、-39.73％、-21.64％)有统计学差异(p＜0.05)，尤其是在截面B和截面C的下降更为明显;监测截面A～E平均压强的升高(分别为+44.24％、+41.28％、+45.28％、+40.22％、+41.24％)均有统计学差异(p＜0.05);截面C、D、E的ΔP减小(分别为-66.59％、-63.69％、-50.07％)有统计学差异(p＜0.05)。与牵引成骨治疗前相比，鼻腔、鼻咽、口咽、喉咽的气道阻力均有明显下降(分别为-38.31％、-27.64％、-57.52％、-51.54％，p＜0.05)。牵引成骨术后，除鼻腔外，上呼吸道其它各部分的最大流速有显著下降(分别为-18.61％、-28.99％、-20.56％，p＜0.05)。
结论:
1.本研究成功构建了HFM患者的上呼吸道模型，所采用的上呼吸道3D重建方法具有较高的可靠性和准确性。
2.MDO可有效扩大HFM患者上呼吸道的鼻咽部及口咽部，解除口咽部的狭窄，并且可使患侧缩窄区得到扩张，从而获得较为对称的气道外形。
3.上呼吸道解剖结构的狭窄可影响其内部气流分布，而狭窄的解除也会改变整个上呼吸道内的气流特性。牵引成骨后，随着上呼吸道狭窄区得到有效扩张，气流流速降低，压强升高;随着上呼吸道容积增加和压降降低，气道顺应性变大，气道阻力减小，从而有利于呼吸运动。
半侧颜面短小畸形(Hemifacial microsomia，HFM)是一种常见的以下颌骨发育不足为主要表现的颅面部畸形，因患侧下颌骨生长受损，下颌骨变短、后缩和变窄，固有口腔容积减小，患侧软组织受到挤压移位，可导致上呼吸道狭窄，引发睡眠相关疾病，如阻塞性睡眠呼吸暂停(Obstructive sleep apnea，OSA)。而呼吸模式的改变也会影响颌面部的生长发育，诱发或加重错(牙合)畸形，形成恶性循环。下颌骨牵引成骨术(Mandibular distraction osteogenesis，MDO)是目前儿童HFM患者的主要治疗手段，然而，在术后疗效评价方面欠缺其对上呼吸道影响的考虑。上呼吸道容积、横截面积以及形状等的变化均有可能改变上呼吸道内的压力分布、气流流速等流场特征，从而进一步影响上呼吸道的通气功能。对上呼吸道进行形态及气流动力学特性的研究，有助于理解上呼吸道结构和功能之间的关系，而目前很少有针对HFM患者行MDO后上呼吸道形态改变进行的相关评价，更加缺乏数值模拟研究。由于上呼吸道几何结构复杂而且难以在内部进行检查，对其三维(Three dimensional，3D)结构和内部流场进行详细的定量分析研究很困难。随着科技的进步，尤其是影像技术及高性能计算机的广泛应用，使得构建人体上呼吸道的实体模型和数字模型能够得以实现，并且在利用生物力学方法对上呼吸道内部流场的研究方面取得了很大进展。通过计算机流体力学(Computational fluid dynamics，CFD)，可对上呼吸道复杂几何结构内的流体运动进行精细的预测，能得到临床手段无法测量出的流速、压强等信息。通过对上呼吸道术前、术后形态及气流动力学特性的对比研究，能够无创、定量地分析由于手术治疗引起的结构变化对上呼吸道内部流场的影响，从而为术后疗效的评估提供量化且准确的参考依据。
本研究基于儿童HFM患者的计算机断层扫描(Computed tomography，CT)数据建立上呼吸道3D模型，应用3D测量评价单侧MDO术后上呼吸道形态学的改变，以及利用CFD技术模拟上呼吸道内的气体流动情况，进行计算并分析术前术后上呼吸道内部流场的变化，从而研究单侧MDO对上呼吸道内部流场的影响，并从生物力学的角度探讨上呼吸道形态变化改变其内部气流流场的力学机制。
材料与方法:
1.儿童半侧颜面短小畸形患者上呼吸道三维重建
选取20例HFM患者(年龄9.52±2.47y;11男性，9女性)行单侧MDO治疗前的CT数据，导入MIMICS软件，进行头位校准后对上呼吸道进行3D重建，分别测量鼻咽前界、鼻咽下界、口咽下界和喉咽下界的面积，以及鼻腔、鼻咽、口咽和喉咽的容积。由同一位和另一位实验者两周后对所有的步骤，包括标志点的识别和项目的测量重复进行。采用组内相关系数(Intraclass correlation coefficient，ICC)评估本研究上呼吸道3D重建方法的可靠性，ICC值＞0.75表示信度良好。通过配对t检验检测同一实验者第一、二次测量数据之间的差异，评估系统误差，定义p＜0.05有统计学差异。利用3D打印技术打印患者的上呼吸道模型，用相同设备、相同参数对3D打印模型进行CT扫描后导入MIMICS软件并用相同方法对上呼吸道进行3D重建，评估上呼吸道3D重建方法的准确性。
2.儿童半侧颜面短小畸形牵引成骨后上呼吸道形态学改变
选取上述20例行单侧MDO治疗的HFM患者术前及术后半年以内的CT数据。将所有患者术前、术后的CT数据导入MIMICS软件，进行头位校准后重建上呼吸道3D模型，分别测量鼻咽前界(A)、鼻咽下界(B)、最小横截面(C)、口咽下界(D)和喉咽下界(E)的面积，鼻咽、口咽和喉咽的长度，以及鼻腔、鼻咽、口咽和喉咽的容积。由同一测量者重复进行所有步骤，包括标志点的识别和项目的测量，采用ICC进行可靠性检验，ICC值＞0.75表示信度良好。利用配对t检验比较MDO治疗前后测量数据之间的差异性，定义p＜0.05为有统计学差异。
3.儿童半侧颜面短小畸形牵引成骨后上呼吸道流体力学改变
对上述所选取的20例HFM患者治疗前后的CT数据进行上呼吸道3D重建后，对上呼吸3D道模型进行修整及网格划分，然后采用标准κ-ω湍流模型模拟一个完整呼吸周期上呼吸道内的气体流动，并利用体外实验系统验证CFD气流模拟的真实性。在CFD后处理软件CFD-POST分别测量吸气峰值时刻鼻咽前界(A)、鼻咽下界(B)、最小横截面(C)、口咽下界(D)和喉咽下界(E)的平均压强、平均流速和压降(ΔP)，以及鼻腔、鼻咽、口咽、喉咽的最大流速，并计算出各部分的有效气道阻力。利用配对t检验比较MDO治疗前后数据之间的差异性，定义p＜0.05为有统计学差异。
结果:
1.儿童半侧颜面短小畸形患者上呼吸道三维重建
配对t检验结果显示同一实验者第一次和第二次测量结果无统计学差异(p＞0.05)，可忽略系统误差。同一实验者及两实验者之间重复测量的信度系数较高(ICC0.976～0.995)。准确性评价结果显示上呼吸道内部容积在3D重建后有少量放大(102.4％～107.4％)。
2.儿童半侧颜面短小畸形牵引成骨后上呼吸道形态学改变
牵引成骨治疗前，HFM患者的患侧上呼吸道受挤压，狭窄部位主要位于口咽部，3D重建后的上呼吸道外观患侧存在冠状向的缩窄。牵引成骨术后，监测截面B和截面C的面积增加(分别为+147.75％、+52.71％)、口咽部的长度增加(+23.86％)有统计学差异(p＜0.05)。口咽部和鼻咽部的容积增加(分别为+53.74％、+42.89％)也有统计学差异(p＜0.05)。治疗后上呼吸道矢状向口径增大，治疗前患侧冠状向的缩窄区在治疗后得到扩张，治疗后的上呼吸道外观趋向于对称。
3.儿童半侧颜面短小畸形牵引成骨后上呼吸道流体力学改变
利用标准k-ω湍流模型进行的CFD模拟结果与实测数据比较吻合，差异率介于5.21％～14.75％。牵引成骨治疗后，监测截面A、B、C、E平均流速的下降(分别为-25.76％、-53.45％、-39.73％、-21.64％)有统计学差异(p＜0.05)，尤其是在截面B和截面C的下降更为明显;监测截面A～E平均压强的升高(分别为+44.24％、+41.28％、+45.28％、+40.22％、+41.24％)均有统计学差异(p＜0.05);截面C、D、E的ΔP减小(分别为-66.59％、-63.69％、-50.07％)有统计学差异(p＜0.05)。与牵引成骨治疗前相比，鼻腔、鼻咽、口咽、喉咽的气道阻力均有明显下降(分别为-38.31％、-27.64％、-57.52％、-51.54％，p＜0.05)。牵引成骨术后，除鼻腔外，上呼吸道其它各部分的最大流速有显著下降(分别为-18.61％、-28.99％、-20.56％，p＜0.05)。
结论:
1.本研究成功构建了HFM患者的上呼吸道模型，所采用的上呼吸道3D重建方法具有较高的可靠性和准确性。
2.MDO可有效扩大HFM患者上呼吸道的鼻咽部及口咽部，解除口咽部的狭窄，并且可使患侧缩窄区得到扩张，从而获得较为对称的气道外形。
3.上呼吸道解剖结构的狭窄可影响其内部气流分布，而狭窄的解除也会改变整个上呼吸道内的气流特性。牵引成骨后，随着上呼吸道狭窄区得到有效扩张，气流流速降低，压强升高;随着上呼吸道容积增加和压降降低，气道顺应性变大，气道阻力减小，从而有利于呼吸运动。